JVM에 대해서 알아보자

예전에 JVM에 동작방식에 대해 공부를 했지만. 잘 기억이 나질 않았습니다. 이번에 다시 공부하면서, 관련된 내용을 요약 및 정리를 했습니다. JVM의 동작 방식, 메모리 구조 부터, 변경 사항을 정리한 글입니다. 

JVM 동작 방식

1. 자바 컴파일러(javac)가 자바 소스코드(.java)를 바이트코드(.class)로 컴파일 합니다.
2. 클래스 로드를 통해서 다음과 같은 과정을 거칩니다
   1. 로딩 : 클래스를 읽어오는 과정 .class 파일을 가져와서 jvm의 메서드 영역에 배치합니다. 이 영역에는 코드, 메타 데이터, static 변수등이 포함되어 있습니다.
   2. 링크 : 레퍼런스를 읽는 과정 검증, 준비, 해석의 세부 단계로 나뉩니다 검증 : 바이트 코드가 안전한지 확인합니다 준비: 클래스 또는 인터페이스에 필요한 메모리를 할당하고, 정적변수를 기본값으로 초기화 합니다 해석: 심볼릭 메모리 참조를 직접 참조로 변환합니다
   3. 초기화 static 변수가 선언된 값으로 초기화 되고, static 블록이 실행됩니다.
3. JVM이 .class 파일을 로드하고, 연결 및 초기화 후에 실행 엔진을 통해 실행됩니다. 해당 데이터는 런타임 데이터 영역에 저장됩니다. JVM은 힙 영역에서 객체의 생성과 소멸을 관리하며, 가비지 컬렉션을 통해 사용되지 않는 메모리를 정리하고, 스택 영역에서 메서드 호출을 관리합니다.

실행 엔진

실행 엔진은 기본적으로 인터프리터와 JIT(Just In-Time) 컴파일러를 포함하고 있습니다.

• 인터프리터: 바이트 코드를 한 줄씩 읽어서 실행합니다. 그러나 같은 메서드를 반복적으로 실행해야 할 경우, 이는 성능 저하를 초래할 수 있습니다.
• JIT 컴파일러: 이러한 성능 저하를 해결하기 위해 JIT 컴파일러가 사용됩니다. JIT 컴파일러는 반복적으로 실행되는 코드를 발견하면 해당 코드를 기계어로 변환(컴파일)하여 성능을 개선합니다.

런타임 데이터 영역

실행 엔진이 바이트 코드를 처리하는 동안, 데이터는 JVM의 여러 메모리 영역에 저장되거나 옮겨집니다.

• 메서드 영역(Method Area): 이 영역은 클래스 수준의 정보(클래스 이름, 부모 클래스 이름, 메서드와 변수 등)를 저장합니다.
• 힙 영역(Heap Area): JVM이 관리하는 모든 객체는 이 힙 영역에 할당됩니다. 가비지 컬렉터는 주기적으로 이 영역을 검사하여 사용되지 않는 객체를 삭제합니다.
• 스택 영역(Stack Area): 각 스레드에 대한 메서드 호출과 로컬 변수는 여기에 저장됩니다. 각 메서드 호출에 대해 별도의 스택 프레임이 생성되며, 메서드 호출이 완료되면 해당 스택 프레임은 파괴됩니다.
• PC 레지스터(PC Registers): 각 스레드에 대해 별도의 PC 레지스터가 있으며, 현재 실행 중인 명령의 주소를 가지고 있습니다.
• 네이티브 메서드 스택(Native Method Stack): 네이티브 메서드의 정보를 저장하는 데 사용됩니다.

제어 및 실행 보조

• 쓰레드 동기화(Thread Synchronization): 런타임 환경에서는 여러 스레드가 동시에 실행될 수 있습니다. 이런 경우, 스레드 동기화가 중요한 이슈가 됩니다. JVM은 각 스레드에 대해 별도의 스택 영역과 PC 레지스터를 유지함으로써 스레드 간의 동기화를 관리합니다.
• 네이티브 메서드 인터페이스(Native Method Interface, JNI): JVM은 Java로 작성된 코드 뿐만 아니라 네이티브 메서드라 불리는 특정 플랫폼에 종속적인 메서드도 호출할 수 있습니다. JNI를 통해 이러한 네이티브 메서드를 실행할 수 있습니다.
• 가비지 컬렉션(Garbage Collection): JVM은 가비지 컬렉션을 통해 동적으로 할당된 메모리를 관리합니다. 프로그램이 더 이상 사용하지 않는 객체를 자동으로 회수하여 메모리를 재활용하며, 이로 인해 개발자는 메모리 관리에 신경 쓰지 않아도 됩니다. (가비지 컬력션은 힙 영역을 관리합니다)

다음은 변경 사항과 추가 읽을 거리를 설명합니다.

힙 영역의 변천사

힙영역은 다음과 같습니다.

1. Young Generation : 생성된지 얼마 안된 객체 저장소
2. Old Generation : 생성된지 어느 정도 된 객체 저장소
3. Permanent Generation → Metaspace (Java 8 이후로 변경) : 클래스 메타 데이터 저장 영역

저장 영역의 변경 이유

Permanent Generation은 여러 문제점을 가지고 있었으며, 가장 큰 문제는 이 영역이 고정 크기라는 점이었습니다. 즉, JVM 시작 시에 이 영역의 크기가 결정되고, 실행 중에 크기를 변경할 수 없었습니다. 이로 인해 OutOfMemoryError가 발생하는 경우가 많았습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Java 8에서는 Permanent Generation을 제거하고 Metaspace를 도입했습니다. Metaspace는 기본적으로 클래스 메타데이터를 저장하지만, 이 영역은 물리적 메모리에 제한을 받지 않고 필요에 따라 동적으로 확장됩니다.

클래스 메타 데이터

클래스 메타 데이터는 두 영역으로 저장됩니다.

 

메서드 영역(Method Area)

메서드 영역은 클래스 수준의 정보를 저장합니다. 메서드 영역에 저장되는 정보는 다음과 같습니다

• 클래스 이름
• 클래스와 인터페이스의 접근 지정자
• 클래스와 인터페이스의 직접 상위 클래스와 인터페이스
• 이 클래스 또는 인터페이스가 final인지 여부, 추상 클래스인지 여부 등의 플래그
• 이 클래스의 필드와 메서드(정적 또는 인스턴스)

이는 각 클래스 및 인터페이스에 대한 정적 메타데이터를 포함하는 것으로 볼 수 있습니다.

 

Metaspace

클래스 메타데이터의 일부를 메모리의 네이티브 영역에 저장합니다. Metaspace에 저장되는 정보는 다음과 같습니다

• 런타임 상수 풀
• 필드 및 메서드 데이터
• 메서드와 생성자의 바이트 코드
• 클래스 로더에 의해 로드된 클래스의 메타데이터

따라서 Metaspace는 클래스와 메서드, 그리고 그들이 실행되는 런타임 환경에 대한 더 동적이고 구체적인 정보를 저장합니다.

 

출처

https://www.inflearn.com/course/the-java-code-manipulation/dashboard

https://lob-dev.tistory.com/82